霍尔辛赫煤矿3102工作面水体下采煤可行性分析

张志伟

（山西霍尔辛赫煤业有限公司，山西长治 046000）

霍尔辛赫煤矿3102工作面水体下采煤可行性分析

张志伟

（山西霍尔辛赫煤业有限公司，山西长治 046000）

通过分析了霍尔辛赫煤矿地表水体及矿井充水因素、覆岩结构、导水裂隙带发育规律、地表变形对采煤的影响，结合附近煤矿导水裂隙带发育现场实测以及对数值模拟结果的比较，论证了该煤矿水体下采煤的可行性。

水体下采煤；数值模拟；导水裂隙带高度；地表移动变形

霍尔辛赫煤矿设计生产能力300万t/a，主要开采山西组下部3号煤层，煤层埋藏深度446～466 m，煤平均厚度5.65 m，煤层倾角3°～5°。井田区内主要河流为浊漳河南源，雍河和岚水河为其支流，均常年有水。现开采3102工作面，地表水体的存在对工作面布置和生产接续造成了巨大的阻碍，因此需对地表裂隙、导水裂隙带及其地表移动变形是否影响安全开采进行可行性研究。

1 矿井充水因素

3102工作面现开采3号煤层，工作面充水水源主要为煤层顶板砂岩裂隙含水层，充水通道为采动裂隙及构造破碎带，因都属弱含水层，其充水量有限，不影响矿井生产，煤层埋藏较深地表水体和基岩风化带水不会形成对矿井直接充水影响，可成为矿井充水间接补给水源。

2 覆岩结构分析

覆岩结构特征对水体下安全开采意义重大[1-2]。现对3102工作面周围2908、2801、2708号钻孔柱状图分析总结，本区3号煤层上覆岩层为二叠系下统山西组（P1s）、下石盒子组（P1x）和二叠系上统上石盒子组（P2s）地层，其岩性主要为中、细砂岩、粉砂岩、泥岩、砂质泥岩交互沉积而成，沉积比较规则。2908号钻孔顶板上覆岩层岩性统计结果，如表1所示。

表1 2908号钻孔顶板上覆岩层岩性统计表

根据霍尔辛赫煤矿顶板上覆岩层岩性统计结果，3号煤层直接顶砂质泥岩自然抗压强度9.2～10.5 MPa，泥岩自然抗压强度18.1～42.5 MPa，粉砂岩自然抗压强度19.0～32.3 MPa。老顶细粒砂岩自然抗压强度17.8～66.1 MPa，粗粒砂岩自然抗压强度43.82～84.5 MPa。依据顶板厚度、岩性特征及力学性质，直接顶板综合评价为不稳定至中等稳定；老顶为中等至稳定，以稳定为主。根据岩层抗压强度分类，3102工作面上方煤系地层为中硬-坚硬型覆岩力学结构。

3 综放开采导水裂缝带发育规律分析

3.1 综放开采顶板覆岩破坏过程数值模拟

运用岩层破断过程分析系统RFPA来进行数值模拟。采用平面应变模型模拟3102综放工作面覆岩垮落破坏过程。模型沿水平方向取300 m，铅垂方向取180 m，底部至3号煤层老底。由于实际岩层较多，为了简化模型，建模时将厚度较薄，性质相近的岩层组合在一起，岩层之间预设层理，系统设定基元为均质、各向同性线弹脆性体，每一岩层为非均质的，如表2所示。

表2 工作面上覆岩层物理力学参数

综采放顶煤一次采全高工作面上覆岩层运动破坏规律的模拟，见图1。

图1 导水裂隙带发育高度

数值模拟结果由图1可见，当工作面推进到16 m时，裂缝带高度达到6 m左右，继续推进到64 m时裂隙带高度达到52 m，呈现缓慢增长趋势，推进到80 m时高度发育到80 m，推进到92 m时高度发育到120 m，再继续推进高度便趋于稳定，纵向上不再向上发育，当工作面继续向前推进时，上位顶板呈现出周期运动的特征。经过对3102工作面覆岩破坏动态发育过程模拟得出，综放一次采全高有效采厚6 m时工作面导水裂缝带最终发育高度约为120 m。

3.2 导水裂缝带最终发育高度的理论计算

根据“三下”采煤规程公式[3]

式中：∑M为累计采厚，m；Hli为导水裂隙带的理论高度，m。

计算所得导水裂隙带的理论高度为：

3.3 综放覆岩破坏高度现场实测

本地区附近王庄煤矿以及高河煤矿导水裂缝带高度观测结果，如表3所示。

表3 国内部分煤矿导水裂缝带钻探实测资料

综合表3实测资料，特别是本矿附近王庄煤矿、高河煤矿综放开采导水裂缝带现场实测资料，同时参考数值模拟及理论研究成果，采用回归方法，获取导水裂缝带最大高度计算经验公式如下：

式中：M为煤层有效采厚，m；Hli为导水裂隙带的理论高度，m。

由此可得导水裂隙带的最大高度为131.2 m，并由上述所得可以作为本井田内水体下采煤防水安全煤岩柱的留设依据。

3.4 安全防水煤岩柱高度留设

防水安全煤岩柱垂高按下式计算[4]：

式中：Hsh为安全防水煤岩垂高，m；Hli为导水裂缝带的高度，m；Hb为保护层厚度，综放开采条件下取3倍采厚；Hfe为基岩风化带高度，通常取50 m。

3102工作面浊漳河水体下综放开采所需防水煤岩柱尺寸分析比较，如表4所示。

表4 3102工作面浊水下开采各情况下防水安全煤岩柱尺寸比较

综上所述，经过对顶板覆岩破坏高度数值模拟、经验公式计算及其高度实测的分析比较得出取导水裂隙带的最大高度为131.2 m，防水煤柱高度取200 m，而该区域地表水体距煤层400 m以上，开采不会波及地表水体。

4 地表移动变形分析

采用概率积分法对本次地表沉陷变形进行计算：

1）地表最大移动变形值

最大下沉值Wmax=qmcosα；最大倾斜值imax= Wmax/r；最大水平移动值Umax=bWmax。

表5 3102工作面综放开采后地表最大移动与变形值

最大曲率变形值：kmax=±1.52Wmax/r2；最大水平变形值εmax=±1.52bWmax/r。

式中：r=H/tgβ；m为煤层采厚，m；α为煤层倾角，°；q为下沉系数；b为水平移动系数；H为煤层开采深度，m；tg β为主要影响角正切。

2）参照“三下”采煤规程和其他类似矿区的经验，并借鉴潞安矿区的实测参数[5]，综合选取概率积分法预计参数如下：

下沉系数：q=0.85，水平移动系数：b=0.31，主要影响角正切：tgβ=2.3。

将地表移动预计参数、开采范围输入计算机，采用概率积分法预计程序进行了计算和处理。3102工作面地表最大移动与变形值，如表5所示。

由此得出，地表最大下沉值为4 m，最大水平移动值为1.542 m，且煤层埋藏深度为450 m，结合上述分析可知导水裂隙带高度为131.2 m，中间基岩层厚度为315 m，导水裂隙带不会波及地表塌陷水体，对工作面的安全不会构成威胁。

5 结束语

工作面涌水主要为顶板基岩裂隙水，地表水体不会对开采造成充水影响。3102工作面导水裂隙带上覆岩层整体隔水性能良好。其最大导水裂缝带高度约为131.2 m，河下开采所需防水安全煤岩柱尺寸约为200 m,地表最大下沉值为4m，导水裂隙带距地表沉陷处315 m，地表水体不会对工作面充水产生直接影响，3102工作面在水体下采煤是可行的。

[1]郭文斌，邵强，尹士献，等.水库下采煤的安全性分析[J].采矿与安全工程学报，2006,23（3）：323-330.

[2]武雄，汪晓刚，段庆伟，等.重大水利工程下矿产开采对其安全影响评价及加固措施研究[J].岩石力学与工程学报，2007,26（2）: 335-347.

[3]国家煤炭工业局.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京：煤炭工业出版社，2000.

[4]山西潞安环能股份有限公司王庄煤矿，煤炭科学研究总院唐山研究院.山西潞安环能股份有限公司王庄煤矿6206综放工作面快速推进条件下“两带”高度观测研究报告[R].2008.

[5]山西潞安环能股份有限公司五阳煤矿，煤炭科学研究总院唐山研究院.七八采区7802工作面漳河水体下采煤可行性论证与技术方案[R].2007.

Feasibility Analysis on Mining under Water Body of No.3102 Working Face in Huerxinhe Mine

ZHANG Zhiwei
(Shanxi Huerxinhe Coal Co.,Ltd.,Changzhi 046000,China)

The influence of surface water body,water filling factors,overlying strata structure, development of water flowing fracture zone,and ground deformation on mining were analyzed in Huerxinhe mine.Combined with field measurement of the water flowing facture zone,numerical simulation results were compared to verify the feasibility of mining under water body.

mining under water body;numerical simulation;height of water flowing fracture zone; ground movement and deformation

TD823

A

1672-5050（2015）03-0067-04

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.03.024

（编辑：薄小玲）

2015-02-08

张志伟（1986-），男，山西长子人，大学本科，助理工程师，从事煤矿水文地质生产和管理工作。